В физике элементарных частиц лептон — элементарная частица с полуцелым спином ( спин 1/2 ), который не подвергается сильным взаимодействиям . [1] Существует два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электронноподобные лептоны или мюоны), включая электрон , мюон и тауон , и нейтральные лептоны, более известные как нейтрино . Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами, образуя различные составные частицы, такие как атомы и позитроний , в то время как нейтрино редко взаимодействуют с чем-либо и, следовательно, редко наблюдаются. Самым известным из всех лептонов является электрон .
Существует шесть типов лептонов, известных как ароматы , сгруппированных в три поколения . [2] Лептоны первого поколения , также называемые электронными лептонами , включают электрон (
е−
) и электронное нейтрино (
ν
е); вторые — мюонные лептоны , включающие мюон (
μ−
) и мюонное нейтрино (
ν
μ); и третьи — тауонные лептоны , включающие тау (
τ−
) и тау-нейтрино (
ν
τ). Электроны имеют наименьшую массу из всех заряженных лептонов. Более тяжелые мюоны и тау быстро превратятся в электроны и нейтрино в процессе распада частиц : превращения из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Таким образом, электроны стабильны и являются наиболее распространенными заряженными лептонами во Вселенной , тогда как мюоны и тау могут быть получены только в столкновениях с высокой энергией (например, в столкновениях с участием космических лучей и в столкновениях, проводимых в ускорителях частиц ).
Лептоны обладают различными внутренними свойствами , включая электрический заряд , спин и массу . Однако, в отличие от кварков , лептоны не подвержены сильному взаимодействию , но подвержены трем другим фундаментальным взаимодействиям : гравитации , слабому взаимодействию и электромагнетизму , из которых последний пропорционален заряду и, таким образом, равен нулю для электрически нейтральных нейтрино.
Для каждого аромата лептона существует соответствующий тип античастицы , известный как антилептон, который отличается от лептона только тем, что некоторые его свойства имеют одинаковую величину, но противоположный знак . Согласно некоторым теориям, нейтрино могут быть своими собственными античастицами . В настоящее время неизвестно, так ли это.
Первый заряженный лептон, электрон, был теоретически предложен в середине 19 века несколькими учеными [3] [4] [5] и был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном . [6] Следующим обнаруженным лептоном был мюон , открытый Карлом Д. Андерсоном в 1936 году, который в то время был классифицирован как мезон . [7] После исследования было установлено, что мюон не обладает ожидаемыми свойствами мезона, а ведет себя как электрон, только с большей массой. Потребовалось время до 1947 года, чтобы предложить концепцию «лептонов» как семейства частиц. [8] Первое нейтрино, электронное нейтрино, было предложено Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения некоторых характеристик бета-распада . [8] Впервые он был обнаружен в эксперименте Коуэна-Рейнса с нейтрино, проведенном Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом в 1956 году. [8] [9] Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году Леоном М. Ледерманом , Мелвином Шварцем и Джеком Стейнбергером , [10] а тау-нейтрино было открыто между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из Стэнфордского центра линейных ускорителей и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . [11] Тау -нейтрино оставалось неуловимым до июля 2000 года, когда коллаборация DONUT из Фермилаба объявила о его открытии. [12] [13]
Лептоны являются важной частью Стандартной модели . Электроны являются одним из компонентов атомов , наряду с протонами и нейтронами . Экзотические атомы с мюонами и тау вместо электронов также могут быть синтезированы, как и лептон-антилептонные частицы, такие как позитроний .
Название лептон происходит от греческого λεπτός leptós , «тонкий, маленький, тонкий» ( средний род именительного/винительного падежа единственного числа: λεπτόν leptón ); [14] [15] самая ранняя засвидетельствованная форма слова — микенская греческая 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , записанная линейным слоговым письмом B. [16] Слово лептон впервые использовал физик Леон Розенфельд в 1948 году: [17]
Следуя предложению профессора К. Мёллера , я принимаю — в дополнение к слову «нуклон» — наименование «лептон» (от λεπτός — маленький, тонкий, хрупкий) для обозначения частицы малой массы.
Розенфельд выбрал это название в качестве общего названия для электронов и (тогда предполагаемых) нейтрино. Кроме того, мюон, первоначально классифицированный как мезон, был переклассифицирован в лептон в 1950-х годах. Массы этих частиц малы по сравнению с нуклонами — массой электрона (0,511 МэВ/ c2 ) [ 18] и масса мюона (со значением105,7 МэВ/ с 2 ) [19] — доли массы «тяжелого» протона (938,3 МэВ/ c2 ), а масса нейтрино близка к нулю. [20] Однако масса тау (открытого в середине 1970-х годов) (1777 МэВ/ c2 ) [21] почти вдвое больше , чем у протона иВ 3477 22] раз больше, чем у электрона.
Первым идентифицированным лептоном был электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном и его командой британских физиков в 1897 году. [23] [24] Затем в 1930 году Вольфганг Паули постулировал, что электронное нейтрино сохраняет сохранение энергии , сохранение импульса и сохранение углового момента при бета-распаде . [25] Паули предположил, что необнаруженная частица уносит разницу между энергией , импульсом и угловым моментом исходной и наблюдаемой конечной частицей. Электронное нейтрино было просто названо нейтрино, поскольку еще не было известно, что нейтрино бывают разных сортов (или разных «поколений»).
Почти через 40 лет после открытия электрона, в 1936 году Карл Д. Андерсон открыл мюон . Из-за своей массы он был первоначально отнесен к мезонам , а не к лептонам. [26] Позже стало ясно, что мюон гораздо больше похож на электрон, чем на мезоны, поскольку мюоны не подвергаются сильному взаимодействию , и поэтому мюон был переклассифицирован: электроны, мюоны и (электронное) нейтрино были объединены в новую группу частиц — лептоны. В 1962 году Леон М. Ледерман , Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюонного нейтрино , что принесло им Нобелевскую премию 1988 года , хотя к тому времени различные разновидности нейтрино уже были теоретически обоснованы. [27]
Тау был впервые обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из группы SLAC LBL . [28] Как и электрон и мюон, он также должен был иметь связанное нейтрино. Первое доказательство существования тау -нейтрино было получено из наблюдения «недостающей» энергии и импульса при распаде тау, аналогично «недостающей» энергии и импульсу при бета-распаде, что привело к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействия тау-нейтрино было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе , что сделало его предпоследней частицей Стандартной модели , которая была непосредственно обнаружена, [29] а бозон Хиггса был открыт в 2012 году.
Хотя все имеющиеся данные согласуются с тремя поколениями лептонов, некоторые физики-частицы ищут четвертое поколение. Текущий нижний предел массы такого четвертого заряженного лептона составляет100,8 ГэВ/ c2 , [30] в то время как его связанное нейтрино будет иметь массу по крайней мере45,0 ГэВ/ c2 . [ 31]
Лептоны имеют спин 1/2 частицы. Теорема о спиновой статистике, таким образом, подразумевает, что они являются фермионами и, следовательно, подчиняются принципу исключения Паули : никакие два лептона одного вида не могут находиться в одном и том же состоянии в одно и то же время. Более того, это означает, что лептон может иметь только два возможных спиновых состояния, а именно вверх или вниз.
Тесно связанным свойством является хиральность , которая, в свою очередь, тесно связана с более легко визуализируемым свойством, называемым спиральностью . Спиральность частицы — это направление ее спина относительно ее импульса ; частицы со спином в том же направлении, что и их импульс, называются правыми , а иначе их называют левыми . Когда частица безмассовая, направление ее импульса относительно ее спина одинаково в каждой системе отсчета, тогда как для массивных частиц возможно «обогнать» частицу, выбрав более быстро движущуюся систему отсчета ; в более быстрой системе спиральность меняется на противоположную. Хиральность — это техническое свойство, определяемое через поведение преобразования в группе Пуанкаре , которое не меняется с системой отсчета. Оно придумано, чтобы согласовываться со спиральностью для безмассовых частиц, и по-прежнему хорошо определено для частиц с массой.
Во многих квантовых теориях поля , таких как квантовая электродинамика и квантовая хромодинамика , лево- и правосторонние фермионы идентичны. Однако слабое взаимодействие Стандартной модели рассматривает лево- и правосторонние фермионы по-разному: в слабом взаимодействии участвуют только левосторонние фермионы (и правосторонние антифермионы). Это пример нарушения четности, явно записанного в модели. В литературе левосторонние поля часто обозначаются заглавной буквой L (например, нормальный электрон e−
Л) и правосторонние поля обозначаются заглавной буквой R (например, позитрон e+
Р).
Правосторонние нейтрино и левосторонние антинейтрино не имеют возможного взаимодействия с другими частицами (см. Стерильное нейтрино ) и поэтому не являются функциональной частью Стандартной модели, хотя их исключение не является строгим требованием; иногда они перечислены в таблицах частиц, чтобы подчеркнуть, что они не будут играть активной роли, если будут включены в модель. Даже если электрически заряженные правосторонние частицы (электрон, мюон или тау) не участвуют в слабом взаимодействии конкретно, они все равно могут взаимодействовать электрически и, следовательно, все еще участвовать в объединенной электрослабой силе , хотя и с разной силой ( Y W ).
Одним из наиболее важных свойств лептонов является их электрический заряд , Q. Электрический заряд определяет силу их электромагнитных взаимодействий . Он определяет силу электрического поля , создаваемого частицей (см. закон Кулона ) и то, насколько сильно частица реагирует на внешнее электрическое или магнитное поле (см. силу Лоренца ). Каждое поколение содержит один лептон с Q = −1 e и один лептон с нулевым электрическим зарядом. Лептон с электрическим зарядом обычно просто называют заряженным лептоном , в то время как нейтральный лептон называют нейтрино . Например, первое поколение состоит из электрона
е−
с отрицательным электрическим зарядом и электрически нейтральным электронным нейтрино
ν
е.
На языке квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие заряженных лептонов выражается тем, что частицы взаимодействуют с квантом электромагнитного поля — фотоном . Справа представлена диаграмма Фейнмана взаимодействия электрона и фотона.
Поскольку лептоны обладают собственным вращением в форме спина, заряженные лептоны генерируют магнитное поле. Величина их магнитного дипольного момента μ определяется как
где m — масса лептона, а g — так называемый « g- фактор» для лептона. Квантово-механическое приближение первого порядка предсказывает, что g -фактор равен 2 для всех лептонов. Однако квантовые эффекты более высокого порядка, вызванные петлями в диаграммах Фейнмана, вносят поправки в это значение. Эти поправки, называемые аномальным магнитным дипольным моментом , очень чувствительны к деталям модели квантовой теории поля и, таким образом, предоставляют возможность для точных проверок Стандартной модели. Теоретические и измеренные значения для аномального магнитного дипольного момента электрона находятся в пределах согласия в пределах восьми значащих цифр. [32] Результаты для мюона , однако, проблематичны , намекая на небольшое, постоянное расхождение между Стандартной моделью и экспериментом.
В Стандартной модели левозаряженный лептон и левозаряженное нейтрино расположены в дублете который преобразуется в спинорном представлении ( T = 1 /2 ) слабой изоспиновой калибровочной симметрии SU(2) . Это означает, что эти частицы являются собственными состояниями проекции изоспина T 3 с собственными значениями ++ 1 /2 и −+ 1 /2 соответственно. В то же время, правосторонний заряженный лептон трансформируется как слабый изоспиновый скаляр ( T = 0 ) и, таким образом, не участвует в слабом взаимодействии , в то время как нет никаких доказательств того, что правостороннее нейтрино вообще существует.
Механизм Хиггса рекомбинирует калибровочные поля слабого изоспина SU(2) и слабого гиперзаряда U(1) симметрии в три массивных векторных бозона (
Вт+
,
Вт−
,
З0
) опосредующий слабое взаимодействие , и один безмассовый векторный бозон, фотон (γ), ответственный за электромагнитное взаимодействие. Электрический заряд Q можно вычислить из проекции изоспина T 3 и слабого гиперзаряда Y W через формулу Гелл-Манна–Нисидзимы ,
Для восстановления наблюдаемых электрических зарядов для всех частиц используется левосторонний слабый изоспиновый дублет (ν eL , e−
Л) должен, таким образом, иметь Y W = −1 , в то время как правосторонний изоспиновый скаляр e−
Рдолжно иметь Y W = −2 . Взаимодействие лептонов с массивными векторными бозонами слабого взаимодействия показано на рисунке справа.
В Стандартной модели каждый лептон изначально не имеет собственной массы. Заряженные лептоны (то есть электрон, мюон и тау) приобретают эффективную массу посредством взаимодействия с полем Хиггса , но нейтрино остаются безмассовыми. По техническим причинам безмассовость нейтрино подразумевает, что не происходит смешивания различных поколений заряженных лептонов, как это происходит с кварками . Нулевая масса нейтрино хорошо согласуется с текущими прямыми экспериментальными наблюдениями массы. [33]
Однако из косвенных экспериментов, в первую очередь из наблюдаемых осцилляций нейтрино [34] , известно , что нейтрино должны иметь ненулевую массу, вероятно, меньшую, чем2 эВ/ c 2 . [35] Это подразумевает существование физики за пределами Стандартной модели . В настоящее время наиболее предпочтительным расширением является так называемый механизм качелей , который объяснил бы и то, почему левые нейтрино настолько легкие по сравнению с соответствующими заряженными лептонами, и то, почему мы до сих пор не видели никаких правых нейтрино.
Членам слабого изоспинового дублета каждого поколения присвоены лептонные числа , которые сохраняются в рамках Стандартной модели. [36] Электроны и электронные нейтрино имеют электронное число L e = 1 , в то время как мюоны и мюонные нейтрино имеют мюонное число L μ = 1 , в то время как тау-частицы и тау-нейтрино имеют тауонное число L τ = 1. Лептонные числа антилептонов их соответствующих поколений равны −1.
Сохранение лептонных чисел означает, что число лептонов одного типа остается неизменным при взаимодействии частиц. Это означает, что лептоны и антилептоны должны рождаться парами одного поколения. Например, при сохранении лептонных чисел допускаются следующие процессы:
но ничего из этого:
Однако известно, что нейтринные осцилляции нарушают закон сохранения индивидуальных лептонных чисел. Такое нарушение считается неопровержимым доказательством физики за пределами Стандартной модели . Гораздо более сильным законом сохранения является закон сохранения общего числа лептонов ( L без индекса ), сохраняющийся даже в случае нейтринных осцилляций, но даже он все еще нарушается на крошечную величину киральной аномалией .
Связь лептонов со всеми типами калибровочных бозонов не зависит от аромата: взаимодействие между лептонами и калибровочным бозоном измеряется одинаково для каждого лептона. [36] Это свойство называется универсальностью лептона и было проверено в измерениях времен жизни мюона и тау , а такжеЗПарциальные ширины распада бозонов , в частности, в экспериментах на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC) и Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP). [37] : 241–243 [38] : 138
Скорость распада ( ) мюонов в процессеμ−→е−+νе+νμприблизительно задается выражением вида (см. распад мюона для более подробной информации) [36]
где K 2 — некоторая константа, а G F — константа связи Ферми . Скорость распада тау-частиц в процессеτ−→е−+νе+ντзадается выражением той же формы [36]
где K 3 — некоторая другая константа. Универсальность мюона–тауона подразумевает, что K 2 ≈ K 3 . С другой стороны, универсальность электрона–мюона подразумевает [36]
Коэффициенты ветвления для электронной моды (17,82%) и мюонной (17,39%) моды распада тау не равны из-за разницы масс лептонов конечного состояния. [21]
Универсальность также учитывает соотношение времени жизни мюона и тау. Время жизни лептона (с = " μ " или " τ ") связано со скоростью распада следующим образом [36]
где обозначает коэффициенты ветвления, а обозначает ширину резонанса процесса с заменой x и y двумя различными частицами из « e », « μ » или « τ ».
Таким образом, соотношение времени жизни тау и мюона определяется выражением [36]
Используя значения из Обзора физики элементарных частиц 2008 года для коэффициентов ветвления мюона [19] и тау [21], получаем отношение времени жизни ~ 1,29 × 10 −7 , что сопоставимо с измеренным отношением времени жизни ~ 1,32 × 10−7 . Разница обусловлена тем, что K2 и K3 на самом деле не являются константами: они немного зависят от массы вовлеченных лептонов.
Недавние испытания универсальности лептонов в
Б
Распады мезонов , выполненные экспериментами LHCb , BaBar и Belle , показали последовательные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Однако объединенная статистическая и систематическая значимость пока недостаточно высока, чтобы заявлять о наблюдении новой физики . [39]
В июле 2021 года были опубликованы результаты по универсальности аромата лептонов, тестирующие распады W, предыдущие измерения LEP дали небольшой дисбаланс, но новое измерение коллаборации ATLAS имеет вдвое большую точность и дает отношение , что согласуется с предсказанием стандартной модели единицы. [40] [41] [42] В 2024 году в препринте коллаборации ATLAS было опубликовано новое значение наиболее точного отношения на данный момент для проверки универсальности аромата лептонов. [43] [44]